4. PROJETO FINAL
4.2. Divisão dos subsistemas
4.2.2. Subsistemas da asa fixa
4.2.2.1.Subsistema de sustentação em voo (escolha do perfil)
Aeronaves tipo asa voadora com enflechamento positivo necessitam de velocidades maiores que uma aeronave convencional, para que a mesma produza a sustentação necessária para se manter em voo e para que as superfícies de controle atuem de forma satisfatória, assim a escolha do perfil pode garantir a sustentação e o controle da aeronave, porém é preciso conciliar sustentação com a velocidade necessária para uma boa manobrabilidade. Diante dessas questões o tipo de perfil escolhido foi o semi-simétrico, que possui um pequeno arqueamento. Para análise desse subsistema forram pré- selecionados os perfis: ZAGY 12, MH 45 e SIPKILL 1,7/10 conforme o Quadro 8.
Quadro 8 - Comparativo entre as diferentes soluções para o subsistema de sustentação da aeronave híbrida.
Perfil Imagem Descrição
ZAGI 12 FA1 - Perfil semi-simétrico de
fácil fabricação.
MH 45
FA2 - Perfil semi-simétrico de difícil fabricação devido ao afilamento do bordo de fuga.
SIPKILL 1,7/10
FA3 - Perfil semi-simétrico de difícil fabricação devido ao afilamento do bordo de fuga.
Com auxílio do software de análise de perfis aerodinâmicos Profili 2.22a, considerando uma velocidade de cruzeiro de 13,89 m/s e o valor de Reynolds igual a 270000 foram gerados os gráficos comparativos dos três perfis para as curvas características do coeficiente de sustentação (Figura 85), coeficiente de arrasto (Figura 85), coeficiente da eficiência aerodinâmica (Figura 86) e coeficiente de momento (Figura 86), todos em função do ângulo de ataque para um perfil aerodinâmico.
Figura 85 - Curvas características do coeficiente de sustentação e do coeficiente de arrasto em função do ângulo de ataque para um perfil aerodinâmico.
Fonte: Software “Profili” 2.22a.
Figura 86 - Curvas características da eficiência aerodinâmica e do coeficiente de momento em função do ângulo de ataque para um perfil aerodinâmica.
Para análise do centro de pressão também foi utilizado o software Profili 2.22a, onde gerou-se os gráficos para cada perfil, analisando a variação do α de -5° a 5° com número de Reynolds = 270000, conforme podemos observar nas Figura 87, Figura 88 e Figura 89.
Figura 87 - Análise do centro de pressão do perfil ZAGI12 com variação do α de -5° a 5° com número de Reynolds = 270000.
Fonte: Software “Profili” 2.22a.
Figura 88 - Análise do centro de pressão do perfil MH 45 com variação do α de -5° a 5° com número de Reynolds = 270000.
Fonte: Software “Profili” 2.22a.
α = -5o α = -4o α = -3o α = -2o α = -1o α = 0o α = 1o α = 2o α = 3o α = 4o α = 5o α = -5o α = -4o α = -3o α = -2o α = -1o α = 0o α = 1o α = 2o α = 3o α = 4o α = 5o
Figura 89 - Análise do centro de pressão do perfil SIPKILL 1,7/10 com variação do α de -5° a 5° com número de Reynolds = 270000.
Fonte: Software “Profili” 2.22a.
Considerando que VANTs são aeronaves não acrobáticas e que na maioria do tempo de voo deseja-se que o eixo longitudinal esteja alinhado horizontalmente e o eixo transversal tenha deslocamentos entre -5° e 5°. Analisando a Figura 85, para coeficiente de sustentação dos três perfis, vemos que de -5° até -2,5° temos praticamente o mesmo coeficiente, a partir de -2,5° o perfil FA1 apresenta uma pequena vantagem em relação aos demais, para coeficiente de arrasto de -5° até -2° perfil FA1 também apresenta pequena vantagem, porém a partir de -2,5° até 5° o perfil de melhor coeficiente é o FA2. Para análise da eficiência aerodinâmica (Figura 86), de -5° até 5° temos praticamente os mesmos valores para FA1 e FA3, com FA2 apresentando menor eficiência, para o coeficiente de momento o perfil com melhor coeficiente entre -5° e 5° é FA2, seguido do FA3 e com o pior coeficiente o FA1.
Como os coeficientes para eficiência dos perfis são muito próximos, tendo uma variação maior somente no coeficiente de momento e o uso da placa controladora tende a estabilizar a aeronave no eixo transversal, as análises que foram levadas em consideração para a escolha do perfil foram a facilidade de fabricação e resistência da asa, sendo a opção FA1 a que mais corresponde a esses critérios devido a sua espessura.
α = -5o α = -4o α = -3o
α = -2o α = -1o α = 0o
α = 1o α = 2o α = 3o
4.2.2.2.-Subsistema estrutura da asa
Para o subsistema de estrutura da asa foram pré-selecionados dois tipos distintos de fabricação conforme o Quadro 9. A estrutura da asa é a parte principal da aeronave, nela todos os componentes serão fixados.
Quadro 9 - Comparativo entre as diferentes soluções para o subsistema de estrutura da asa da aeronave híbrida.
Equipamento Imagem Descrição
Asa com estrutura maciça.
FB1 – Asa com estrutura principal maciça de espuma de
poliestireno reforçada com longarinas de fibra de vidro ou
fibra de carbono.
Asa com estrutura modular.
FB2 – Asa construída em madeira balsa e compensado,
necessita de entelagem.
O sistema FB1 é fabricado com espuma de Poliestireno reforçado, com varetas de fibra de vidro ou fibra de carbono para diminuir a torção e a flexão, é de fácil aquisição e fabricação, a entelagem é opcional, seu peso é baixo quando comparado a outros materiais.
O sistema FB2 é fabricado em madeira balsa reforçado com compensado, apresenta estrutura leve e bastante resistente a torções e flexões, necessita de entelagem, porém sua fabricação é mais complexa, se comparada ao sistema FB1 seu custo é mais elevado e os materiais só estão disponíveis em lojas especializadas.
O sistema escolhido foi o FB1 devido ao baixo custo, fácil aquisição e fabricação, essas características permitem testar com baixo custo várias configurações de asa ou refazer rapidamente outra aeronave caso seja necessário.
4.2.2.3.Subsistema conjunto motopropulsor à combustão
Para o subsistema motopropulsor à combustão foram pré-selecionados dois conjuntos: um com motor com pistão e hélice e uma turbina conforme o Quadro 10.
Quadro 10 - Comparativo entre as diferentes soluções para o subsistema conjunto motopropulsor à combustão da aeronave híbrida.
Equipamento Imagem Descrição
Motor à combustão OS 61FX, hélices 13x4 e 13x6 tanque de
combustível.
FC1 – Motor a combustão com excelente relação peso/potência,
dois padrões de hélices recomendados, tanque de combustível com capacidade de
0,236 l.
Turbina JetCat P60SE e tanque de combustível.
FC2 – Turbina com excelente relação peso/potência, baixo índice de vibração, tanque de combustível com capacidade de
O sistema FC1 é composto por um motor à pistão OS 61FX, com peso de 0,550 kg, duas hélices sugeridas pelo fabricante, uma Master Airscrew 13x4 e uma APC 13x6, um tanque de combustível com capacidade de 0,236 l, capaz de oferecer uma autonomia de aproximadamente 20 minutos de voo, com custo total de aproximadamente $ 290,00.
O sistema FC2 é composto por uma turbina JetCat P60SE, com peso de 0,848 kg, capaz de gerar um empuxo estático de 5,9 kgf, um tanque de combustível de 1,0 l, capaz de oferecer uma autonomia de aproximadamente 8 minutos de voo, o custo total do conjunto é de aproximadamente $ 2.200,00.
As principais vantagens do conjunto FC1 é a relação peso/potência com baixo custo. A principal desvantagem é a vibração gerada pelo motor.
A principal vantagem do conjunto FC2 é a quantidade de empuxo oferecido com baixíssima vibração, porém os pontos negativos são: custo de aquisição muito alto se comparado ao conjunto FC1, peso total do conjunto, alto consumo de combustível e a temperatura de exaustão próxima à 700 °C, o que demandaria uma mudança na concepção e na estrutura da aeronave devido os motores elétricos do multirotor situados na parte traseira. Levando em consideração as vantagens e desvantagens de cada conjunto a escolha para esse subsistema foi a do conjunto FC1.
4.2.2.4.Subsistema superfícies de controle
Duas configurações de superfícies de controle foram pré-selecionadas para a asa voadora, um se estende praticamente por todo bordo de fuga de cada seção da asa, o outro está localizado apenas nas extremidades conforme o Quadro 11.
Quadro 11 - Comparativo entre as diferentes soluções para o subsistema das superfícies de controle da aeronave híbrida.
Equipamento Imagem Descrição
Superfícies de controle inteiriças.
FD1 – As superfícies de controle se estendem por quase
todo o bordo de fuga de cada seção da asa.
Superfícies de controle nas extremidades.
FD2 – As superfícies de controle estão concentradas nas
extremidades de cada seção da asa.
O sistema FD1 utiliza uma extensão menor do perfil, por se estender por quase todo o bordo de fuga está menos susceptível as turbulências vindas do conjunto motopropulsor dos motores elétricos posicionados a frente da asa, essa turbulência atingiria somente uma parcela da superfície de controle, garantindo a eficiência do restante quando a aeronave estiver em voo horizontal, em relação ao estol, como propagação em asas enflechadas se dá das extremidades laterais para o centro da aeronave a manobrabilidade da aeronave estaria garantida.
O sistema FD2 utiliza maior extensão do perfil, está situado nas extremidades da asa, onde são mais eficientes, porém devido à pouca extensão em relação ao bordo de fuga, caso ocorra alguma turbulência em sua superfície a eficiência do controle da aeronave será comprometida, assim como para ocasiões de estol
O sistema FD1 foi escolhido por oferecer menor capacidade de comprometer sua eficiência em relação a turbulência gerada pelos motores elétricos dianteiros e o estol.